Aula 14

Prévia do material em texto

Aula 14 
 
 
 
Cinética química 
 
Ao estudarmos o comportamento de uma reação química, 
a primeira informação a ser procurada é quanto à 
termodinâmica de equilíbrio do sistema, ou seja, qual é o 
estado de equilíbrio da reação, ou conjunto de reações. 
 
Porém, as reações ocorrem a partir de condições iniciais as 
mais variadas possíveis e o caminho deste processo até 
sua eventual chegada ao equilíbrio tem sido objeto de 
estudo da chamada cinética química. 
 
A relação entre o processo estático de equilíbrio e a 
dinâmica da cinética química é de grande interesse e ramo 
de pesquisa importante para diversas áreas, além da 
química em si, tais como a física, a biologia, a ciência de 
materiais entre outras. 
 
No gráfico abaixo está um exemplo de dado experimental 
de um estudo de cinética química. 
 
 
 
 
 
 
 
Fatores que afetam a cinética 
 
Que fatores determinam o comportamento cinético das 
diversas reações? 
 
Antes de mais nada, como já dito, seu estado de equilíbrio 
bem como a relação entre este estado e a condição inicial 
do experimento específico em questão. 
Além do equilíbrio, alguns fatores determinantes para a 
cinética são: 
1) Temperatura 
2) Concentrações 
3) Superfície de reação 
4) Presença de catalisadores 
Os primeiros três estes aspectos podem ser facilmente 
analisados em um experimento simples, usando-se 
misturas comerciais de bicarbonato de sódio (NaHCO3) e 
acído cítrico. Um dos usos do bicarbonato de sódio é para 
baixar a acidez estomacal, devido à reação: 
NaHCO3 + HCl ⇒ NaCl + H2O + CO2
O bicarbonato de sódio em presença do ácido reage 
formando CO2. 
HCO3- + H+ ⇒ H2O(l) + CO2(g) 
CO3-2 + 2 H+ ⇒ H2O(l) + CO2(g) 
 
 
 
Fatores que afetam a cinética 
 
A temperatura faz com que as reações ocorram mais 
rapidamente. De fato, esta é uma das razões para o uso do 
fogo na culinária. 
As concentrações das substâncias envolvidas bem como a 
da água possuem uma evidente relevância para a cinética. 
Assim, reações que ocorrem em meio aquoso irão se tornar 
mais lentas quando a quantidade de água no meio for 
menor. 
A superfície de reação, ou seja, a área de contato entre os 
diversos reagente também possui uma grande importância 
e seu aumento implica no aumento da taxa de reação. 
Finalmente, a presença de catalisadores irá alterar 
fortemente a cinética, como será visto mais adiante. 
 
 
 
 
Taxa de reação 
 
Ao quantificar os experimentos de cinética química surge a 
importante função taxa de reação. Para uma reação 
qualquer 
 
aA +bB + cC ⇒ � 
 
onde � indica um produto qualquer, a taxa de reação será 
dada normalmente por 
 
Taxa = k.[A]m[B]n[C]p
 
onde m, n e p não são necessariamente iguais aos 
coeficientes estequiométricos a, b e c. 
 
A determinação desta lei bem como dos coeficientes e da 
constante de reação k envolvidos ainda é feita de forma 
empírica, não existindo teoria geral para o problema. 
 
Para a reação 
 
A ⇒ � 
 
A taxa de reação é igual a k[A]. A equação de evolução da 
concentração de A fica 
 
d[A]/dt = -k[A] 
 
A concentração de A irá diminuir proporcionalmente a k e à 
própria concentração de A. Esta equação pode ser 
facilmente resolvida, dando a solução: 
 
[A](t) = Ao.exp(-k t) 
 
Onde Ao é a concentração de A no tempo t = 0. 
Taxa de reação 
 
Como já dito, em geral, as concentraçãos de produtos e 
reagentes tenderão ao equilíbrio. 
 
 
 
Resolver o conjunto de equações para todas as espécies, 
porém, nem sempre é simples, e o estudo da dinâmica 
destas reações tem mostrado uma grande riqueza de 
comportamentos. 
 
 
 
 
 
 
Energia de ativação 
 
Um exemplo de barreira de ativação é dado pela reação de 
decomposição da água oxigenada em água e oxigênio. 
 
2H2O2 ⇒ H2O +O2 
 
Como sabemos, a água oxigenada pode ficar muito tempo 
sem se converter caso permaneça em um recipiente 
adequado. Porém, ao entrar em contato com catalisadores, 
tais como substâncias orgânicas do corpo humano, 
rapidamente ocorre a reação. 
 
 
 
 
 
A presença ou não de catalisadores determina a altura da 
barreira de energia de ativação, fazendo com que a reação 
ocorra mais ou menos rapidamente. 
 
Energia de ativação e constante cinética 
 
A relação entre a energia de ativação e as constantes 
cinéticas é dada pela equação de Arrhenius: 
 
k = α.exp(-Ea/RT) 
 
onde Ea é a energia de ativação da reação em estudo. 
 
Esta equação também explicita o papel da temperatura na 
cinética química. 
 
 
 
 
Catalisadores irão diminuir o valor de Ea, aumentando 
assim k e, portanto, a taxa de reação. 
 
 
 
Mecanismos de reação 
 
Uma importante aplicação do estudo de cinética de reação 
é o entendimento dos mecanismos por trás das reações em 
estudo. Assim, ao determinar qual é a cinética de um dado 
processo, estaremos também determinando que tipo de 
reação esta envolvido. 
 
Por exemplo, se a cinética de uma dada reação é definida 
pela equação ka[A][B] está ocorrendo uma reação A + B no 
sistema. Se a lei cinética fosse kb[A], teríamos que a 
reação é simples uma decomposição de A em produtos. 
 
Na biologia este estudo é importante para entender quais 
são as etapas e quem são as biomoléculas relevantes para 
um dado fenômeno, a partir do que podemos começar a 
investigar melhor os processos bioquímicos envolvidos. 
 
Como exemplo, vão aí duas imagens de um trabalho no 
qual se procura entender os mecanismos iniciais de 
morfogênese da Drosophila melanogaster 
 
 
 
 
 
 
Padrões, relógios e biologia 
 
A cinética química está por trás dos fenômenos mais 
importantes para os sistemas vivos, tais como a formação 
de padrões tanto espaciais, como visto antes, quanto 
temporais, como nos chamados “relógios biológicos”. Ou 
seja, processos cinéticos fora do equilíbrio determinam a 
existência de sistemas de regulação temporal em 
processos bioquímicos, dando origem aos diversos 
padrões de tempo. 
 
A primeira reação feita em laboratório na qual se observou 
a formação de padrões espaço-temporais foi a conhecida 
reação de Belousov-Zhabotinsky. 
 
 
 
Hoje esta é uma ativa área de pesquisa, com enorme 
campo de aplicações e alta multidisciplinariedade.